Премия за частицы: Нобелевская неделя — 2012
Квантовые компьютеры способны совершить очередную технологическую революцию. Производительность их будет во много раз превосходить все, что доступно самым мощным современным супекомпьютерам — возможно, уже в нынешнем веке на них будут обсчитываться самые сложные процессы, при работе с которыми пока приходится обходиться более или менее упрощенными моделями.
Понятно, что прежде чем говорить о практическом создании квантового компьютера, необходимо научиться выделять отдельные квантовые частицы, а также манипулировать ими — считывать и изменять их состояние, «запутывать» друг с другом. Новоиспеченные Нобелевские лауреаты — американец Дэвид Вайнленд (David Wineland) и француз Серж Арош (Serge Haroche) — стали пионерами в решении этих задач. Вайнленду с коллегами удалось разработать методы удержания отдельных атомов и манипулировать с ними с помощью фотонов, а команде Сержа Ароша — методы для удержания фотонов и манипуляции посредством атомов.
В экспериментах Вайнленда ионы удерживались в магнитной ловушке, в условиях сверхнизких температур и глубокого вакуума. Сверхкороткие модулируемые лазерные импульсы посылали в систему протоны заданных характеристик. Таким путем авторам удалось полностью контролировать состояние ионов, переводя их на нужный энергетический уровень, или в суперпозицию — существовании в нескольких состояниях одновременно.
В итоге Вайнленд с коллегами стали первыми, кому удалось провести полноценную операцию с системой из двух кубитов, а заодно сконструировали самые точные часы в мире, в сотни раз точнее являющихся сейчас эталоном цезиевых атомных часов. Их система — оптическая: для этого надо запереть в ловушке пару ионов. Один из них выполняет роль хронометра (колебательной системой, «маятником» служат осцилляции иона между доступными энергетическими состояниями), а другой, связанный с ним, позволяет считывать его текущие показания с помощью лазера. По расчетам, точность такой системы превышает 1/1017 — иначе говоря, если б эти часы были запущены в момент Большого Взрыва, за прошедшие с тех пор миллиарды лет они бы сбились секунд на пять.
У Ароша ловушка была зеркальная, из глубоко охлажденного сверхпроводника, между стенками которого фотоны могли отражаться много раз, не рассеиваясь и не поглощаясь. В такой системе фотон мог оставаться целых 0,1 секунды, все отражаясь и отражаясь и покрывая расстояние в 40 тыс. км. Этого времени вполне достаточно для того, чтобы воздействовать на него.
В качестве инструмента воздействия использовались ридберговские атомы — атомы щелочных металлов, внешнее электронное облако которых находится в перевозбужденном состоянии, из-за чего диаметр такого атома увеличивается в сотни, а то и в тысячи раз. Бомбардировка фотонов ридберговскими атомами позволила Арошу с коллегами добиться того же, что и Вайнленду: регистрировать и контролируемо изменять состояние частиц, добиваться квантовой суперпозиции и даже запутывания.
Сегодня на основе их работ вовсю идет создание долгожданных квантовых компьютеров. И если Вайнленду удалась работа с двумя кубитами, теперь имеются возможности манипуляции уже со 128-ю. Быть может, революция не за горами.
Кстати, наверняка не останутся без дела и потрясающие часы Вайнленда. Лучшая точность при отслеживании времени позволит улучшить аккуратность работы целой массы спутниковых систем, от коммуникаций и до глобальной навигации. Ну а 8 миллионов шведских крон денежной премии будут разделены между Вайнлендом и Арошем поровну.
По пресс-релизу Нобелевского комитета